小试件材料弹性常数超声测量系统的研制

　　1　引　　言

　　材料力学性能测试是材料科学中的一个重要组成部分,随着材料科学的不断发展,传统材料的改性和新材料的开发、研究都对测试技术提出了新的要求与挑战,探索新型的测试方法受到国内外学者的极大关注。伴随着纳米材料制备技术的研究与发展,如何评价和表征纳米块体材料的力学性能,也是该领域的研究热点[1]。由于受制备技术的限制,制备大尺寸块体纳米材料存在很大困难。据报导,目前所能制备的块体纳米材料,其尺寸大约为:直径小于100mm、厚度小于10mm,并且根据不同的制备工艺,所能制备的尺寸也不相同。因此,测量块体纳米材料的力学性能(如弹性模量、泊松比),受试件尺寸的限制,很难采用常规的力学性能测试方法[2]。块体纳米材料受特殊制备工艺所致,其力学性能往往具有各向异性的特征。如双向纳米晶复合永磁材料,由于其晶粒的取向不同,其力学性能呈现横观各向同性,对于这种材料,测量其各弹性常数就更困难。目前,针对纳米材料力学性能测试采用的方法有:纳米压痕技术、声学显微镜技术、表面声波技术、激光超声显微技术等[324],但大多数研究或者针对薄膜(或涂层)材料或者采用的设备价格昂贵。因此,针对小尺寸各向异性(尤指横观各向同性)块体纳米材料,研究其弹性常数的表征与测量方法,对于评价纳米材料制备工艺和表征纳米材料的力学性能具有较好的学术意义和应用背景。而研究其测试系统或测试设备又是必需的,并且是关键的。本文设计开发了一套小试件材料弹性常数超声精密测量系统,并利用该系统对金属试件进行了初步测试,得到了很好的波形结果。

　　2　材料弹性常数的超声表征及测量原理

　　超声波在介质中传播的速度,取决于介质的弹性常数及介质密度。无限各向同性固体介质中的纵波速度CL和表面波波速CR为:

　　由此可知,若同时测得介质的纵波速度CL和表面波速度CR,即可求得泊松比υ,进而在密度ρ已知的情况下,可由式(1)或式(2)求得杨氏模量以及其他常数,如体积弹性模量和剪切弹性模量等。

　　基于声学显微镜原理,利用柱面线聚焦PVDF探头发射和接收超声波,可实现试件中纵波波速和表面波波速的同时测量[526]。图1为线聚焦探头产生直接反射波D、漏表面波R和底面反射波B的示意图。

　　采用超声波浸水法,将试件浸入水中,通过向下移动探头,改变探头与试件间的距离S,从而使柱面探头的聚焦线偏离试件表面,即发生散焦。探头发射的超声波,既垂直入射试件液-固表面,又以第2临界角θR倾斜入射液-固表面。垂直入射纵波在试件上表面及底面发生反射,得到直接反射纵波D和底面反射纵波B;而以第2临界角倾斜入射液-固表面时会产生表面波。该表面波在试件表面传播时又以漏表面波的形式被探头接收,形成漏表面波信号R。